一種基于ZigBee的分布式井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：隨著我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，城市井蓋數(shù)目逐漸增加。由于較多井蓋被盜，致使路面形成陷阱，危害到過往車輛和行人安全。本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決分布式布控困難、不能實(shí)時(shí)監(jiān)控、成本較高的問題。融合GPRS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)和Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對缺失井蓋的精確定位、自動(dòng)報(bào)警功能。

引言

城市道路上的井蓋經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)破損或丟失，這樣會(huì)在路面上形成陷阱，對過往車輛和行人造成危險(xiǎn)。全國特大型城市各類井蓋總數(shù)量均在100萬個(gè)以上，大型城市在80萬個(gè)以上，中型城市在50萬個(gè)以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般城市井蓋年被盜數(shù)量超過總量的1%左右。井蓋產(chǎn)生的安

全隱患包括：井蓋被盜，通過井蓋入口盜竊地下電線纜，影響供電和通信;由于下水道未按時(shí)清淘造成淤積，長時(shí)間形成沼氣濃度過高易引發(fā)中毒、爆炸等危險(xiǎn)事件。

1 系統(tǒng)概述

圖1為系統(tǒng)工作原理圖，系統(tǒng)組成為包含井蓋報(bào)警器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務(wù)器，井蓋報(bào)警器之間采用ZigBee無線通信技術(shù)，每個(gè)報(bào)警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。報(bào)警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)警器節(jié)點(diǎn)信息。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)之間交互數(shù)據(jù)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)報(bào)警器節(jié)點(diǎn)信息匯聚傳遞到嵌入式網(wǎng)關(guān)，同時(shí)將用戶查詢和設(shè)置命令下發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過采集數(shù)據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鱾€(gè)井蓋報(bào)警器狀態(tài)和位置進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。嵌入式網(wǎng)關(guān)同時(shí)還起到實(shí)時(shí)報(bào)警和上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)的作用，GPRS模塊主要負(fù)責(zé)GPRS模塊接收井蓋報(bào)警器傳來的報(bào)警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的上傳。市政設(shè)施管理處以及自來水廠等政府機(jī)構(gòu)可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護(hù)，并同時(shí)發(fā)送短信給檢修人員，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修和處理。

工作原理：當(dāng)井蓋被打開后，井蓋報(bào)警器上面的紅外感應(yīng)傳感器感知光線產(chǎn)生報(bào)警，將報(bào)警信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)中。嵌入式網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)，顯示報(bào)警位置，通過GPRS模塊將信息統(tǒng)一發(fā)送至固定IP的服務(wù)器上，用戶通過Web服務(wù)器中心可以查詢每個(gè)井蓋的安全情況。同時(shí)，服務(wù)器中心通過互聯(lián)網(wǎng)將消息發(fā)送給每個(gè)附近的維修單位，達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)管的效果。GPRS模塊會(huì)將井蓋的位置和情況發(fā)送給周邊的檢修人員，通知檢修人員及時(shí)修理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 井蓋報(bào)警器節(jié)點(diǎn)

圖2所示為井蓋報(bào)警器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，包含ZigBee控制器、蜂鳴器、高亮度LED、氣體傳感器、光敏傳感器。

其中，負(fù)責(zé)組成網(wǎng)絡(luò)的ZigBee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2530，內(nèi)部集成了工作在2.4 GHz的射頻發(fā)射器和低功耗的8051MCU內(nèi)核。

井蓋報(bào)警器節(jié)點(diǎn)的原理為：通過嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統(tǒng)供電，通過傳感器檢測井蓋安全狀況。當(dāng)井蓋被盜時(shí)，光敏傳感器感知光線并將報(bào)警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中;當(dāng)沼氣濃度過高時(shí)，氣體傳感器感知濃度，將報(bào)警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達(dá)到667 MHz。陔網(wǎng)關(guān)具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴(kuò)展設(shè)計(jì)了一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)，采用Linux操作系統(tǒng)，移植TCP/IP協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)故障下的信息存儲(chǔ)在FLASH芯片中。項(xiàng)目中的網(wǎng)關(guān)很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中的資源和處理時(shí)間消耗。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)思路新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。界面簡單易操作，通信效果良好，能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測井蓋安全的實(shí)時(shí)變化，為市政提供了有效、及時(shí)的信息。

2.3 Web服務(wù)器

利用PC機(jī)建立Web服務(wù)器，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)連接至政府部門，方便各個(gè)單位查詢井蓋情況。在服務(wù)器設(shè)計(jì)中，前端采用ASP.NET開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET操作數(shù)據(jù)庫。每個(gè)報(bào)警器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過來到服務(wù)器后，服務(wù)器通過SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行接收、處理和存儲(chǔ)。主要信息包含：井蓋節(jié)點(diǎn)位置信息、安全狀況信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息。Web服務(wù)器根據(jù)設(shè)計(jì)功能需求，主要分為登陸界面、井蓋分布位置界面、井蓋安全狀況界面、歷史數(shù)據(jù)等界面。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 ZigBee模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中模塊有三種類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協(xié)議，集成了RF和8051 MCU內(nèi)核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達(dá)到100 m，具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

3.1.2 光敏傳感器

光敏傳感器采用光敏二極管，光敏二極管響應(yīng)范圍適用于可見光范圍，紅外光全截止，頻譜范圍近似人眼。通過ZigBee控制器的A/D模塊采集光敏二極管上面的光線強(qiáng)度，當(dāng)井蓋損壞或被盜后，光敏二極管檢測光線發(fā)生變化從而報(bào)警。氣體傳感器采用MH-440V/D紅外氣體傳感器，通過測定氣體成分的吸光度，就能測定氣體成分的濃度，氣體傳感器主要負(fù)責(zé)檢測下水道沼氣是否超標(biāo)。

3.1.3 GPRS模塊

GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設(shè)備采用高性能處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)接收井蓋報(bào)警器傳來的報(bào)警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的上傳。同時(shí)，發(fā)送短信給維修人員，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修和處理。